Universität Stuttgart
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Item Open Access Mobile Robotik in der bandsynchronen Montage zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Bix, Johannes; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die sich wandelnden Anforderungen der Märkte sowie der Produktionsfaktoren in der Automobilindustrie zwingen diese ihre Produktionssysteme weiterzuentwickeln und an die zukünftigen Rahmenbedingungen anzupassen. Der Einsatz mobiler Robotik zur flexiblen Mensch-Roboter-Interaktion in der bandsynchronen Montage schafft die Voraussetzungen für Antworten auf die Herausforderungen in der Produktion von morgen und legt den Grundstein für zukünftige Produktionskonzepte. Die Realisierung in der bandsynchronen Montage stellt besondere Anforderungen an die mobile Robotik. Diese werden auf Basis von untersuchten Anwendungsfällen aus der Montage der Automobilindustrie in einem Anforderungskatalog zusammengetragen und die spezifischen Herausforderungen abgeleitet. Für Betreiber von starr verketteten Produktionssystemen steht neben der technischen Realisierung dieser Herausforderungen vor allem die Gesamtverlässlichkeit der Produktion im Vordergrund. Wesentliche, u.a. experimentell bestätigte Einflussfaktoren auf die Verlässlichkeit eines mobilen Roboters in der bandsynchronen Montage sind die Sicherheit und Zuverlässigkeit. Mit diesem Fokus wird für die bandsynchrone Montage in der Automobilindustrie ein katalogbasiertes Reaktionsverfahren entwickelt, das mithilfe der kognitiven Fähigkeiten des Menschen, aus einer integrierten Risikobeurteilung für Sicherheit und Zuverlässigkeit, vorbeugende Reaktionen für den mobilen Roboter ableitet. Diese sollen den Übergang des Roboters in einen sicheren Zustand - mit möglichst geringen Anforderungen an die mobile Rechenleistung - vorbeugend vermeiden und die geforderte Verfügbarkeit des verketteten Produktionssystems ermöglichen. Hierbei greift das Reaktionsverfahren nicht in die aus der Sicherheitsbeurteilung festgelegten technischen Schutzmaßnahmen ein. Die vorläufige Identifikation von Reaktionen ist aufgrund der bekannten Arbeitsabläufe und der für den industriellen Einsatz ohnehin durchzuführenden Sicherheitsbeurteilung in der Montage möglich. Die Verbesserung der Verfügbarkeit wird im Anschluss unter Laborbedingungen und in der bandsynchronen Montage experimentell nachgewiesen.Item Open Access Modell zum maschinellen Lernen von Wirkzusammenhängen bei der Holzverarbeitung auf Basis von online-erfassten Werkzeugmaschinendaten(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Lenz, Jürgen Herbert; Westkämper, Engelbert (Univ.-Prof. a. D. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult.)Aufgrund des immer härter werdenden globalen Wettbewerbs müssen produzierende Unternehmen, die auch in der Zukunft profitabel produzieren wollen, ihre Leistungsreserven nutzten. Die Möbelfertigung, die größte holzverarbeitende Industrie, besteht im Hauptprozess aus dem Fräsen von Holzwerkstoffen. Hierbei gibt es Leistungsreserven in der Einsatzplanung der Fräswerkzeuge. Gute Einsatzplanung ist die Voraussetzung für eine hohe Verfügbarkeit des Produktionssystems. Die Einsatzplanung wird durch Entwicklungen wie individuelle Möbelstücke, kleinere Losgrößen und neue Schneidstoffe erschwert. Die Herausforderung der Planungsunsicherheit beim Werkzeugeinsatz in der Holzbearbeitung wächst zusätzlich durch die größere Anzahl an industriell hergestellten Holzwerkstoffen mit jeweils unterschiedlicher Abrasivität. Dadurch wird die Bestimmung der Reststandzeit eines Werkzeuges erschwert. Zielsetzung dieser Arbeit ist die Planungssicherheit des Werkzeugeinsatzes durch eine exakte Planung des Werkzeugwechselfensters sowie durch Prognose der Reststandzeit zu erhöhen. Mithilfe dieser Prognose kann das gesamte Standvermögen des Werkzeuges verwendet werden. Das führt dazu, dass die Verfügbarkeit des Produktionssystems erhöht wird, da durch das Überschreiten der Werkzeugeinsatzgrenze bedingte Stillstände vermieden werden. Hierfür wurde ein Modell erstellt, das online erfasste Daten aus der Werkzeugmaschinensteuerung mit kontextbezogenen Informationen aus Datenbanken wie dem ERP-System und der Werkzeugverwaltung kombiniert. Aus diesen Informationen wird eine werkzeugspezifische Einsatzhistorie gebildet und mit gemessenen physikalischen Werten über den Werkzeugverschleiß und Kantenqualität des Werkstückes in Verbindung gebracht. Diese Verbindung von Bearbeitungshistorie und echten physikalischen Messgrößen bilden die Datenbasis für das maschinelle Lernen von Wirkzusammenhängen. Durch das Erlernen dieser Zusammenhänge kann die Reststandzeit eines Werkzeuges prognostiziert werden und somit die Planungsgenauigkeit des Werkzeugeinsatzes durch exakte Festlegung von Werkzeugwechselfenstern gesteigert werden. Zur Erprobung wurde das entwickelte Modell implementiert und seine Funktionsfähigkeit anhand einer Werkstoff-/Schneidstoffpaarung validiert. Diese Erprobung zeigte dass die Wirkzusammenhänge erlernt werden können.Item Open Access CHEMampere : technologies for sustainable chemical production with renewable electricity and CO2, N2, O2, and H2O(2022) Klemm, Elias; Lobo, Carlos M. S.; Löwe, Armin; Schallhart, Verena; Renninger, Stephan; Waltersmann, Lara; Costa, Rémi; Schulz, Andreas; Dietrich, Ralph‐Uwe; Möltner, Lukas; Meynen, Vera; Sauer, Alexander; Friedrich, K. AndreasThe chemical industry must become carbon neutral by 2050, meaning that process‐, energy‐, and product‐related CO2 emissions from fossil sources are completely suppressed. This goal can only be reached by using renewable energy, secondary raw materials, or CO2 as a carbon source. The latter can be done indirectly through the bioeconomy or directly by utilizing CO2 from air or biogenic sources (integrated biorefinery). Until 2030, CO2 waste from fossil‐based processes can be utilized to curb fossil CO2 emissions and reach the turning point of global fossil CO2 emissions. A technology mix consisting of recycling technologies, white biotechnology, and carbon capture and utilization (CCU) technologies is needed to achieve the goal of carbon neutrality. In this context, CHEMampere contributes to the goal of carbon neutrality with electricity‐based CCU technologies producing green chemicals from CO2, N2, O2, and H2O in a decentralized manner. This is an alternative to the e‐Refinery concept, which needs huge capacities of water electrolysis for a centralized CO2 conversion with green hydrogen, whose demand is expected to rise dramatically due to the decarbonization of the energy sector, which would cause a conflict of use between chemistry and energy. Here, CHEMampere's core reactor technologies, that is, electrolyzers, plasma reactors, and ohmic resistance heating of catalysts, are described, and their technical maturity is evaluated for the CHEMampere platform chemicals NH3, NOx, O3, H2O2, H2, CO, and CxHyOz products such as formic acid or methanol. Downstream processing of these chemicals is also addressed by CHEMampere, but it is not discussed here.Item Open Access Reibadaptive Gleitführungen für Vorschubantriebssysteme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Engel, Tobias; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)The precision of feed drive systems depends strongly on the frictional behaviour of the bearing elements. Friction has two effects onto the feed drive system, on the one hand it improves the damping and reduces vibrations and on the other hand it induces nonlinear effects that affect the motion quality in terms of precision and smoothness. In this thesis, an idea is investigated that uses the good damping properties of sliding bearings and improves their frictional behaviour using high frequency oscillations. The phenomenon that friction is reduced in the presence of high-frequency oscillations was observed in various experiments since the 1950’s and found its way into industrial applications such as ultrasonic deep drawing, drilling, grinding and cutting. However, the idea to use this effect to come up with new bearing elements has not been investigated yet. The goal of this thesis is to develop a systematic design for sliding bearings that allow high-frequency oscillations. The theory of friction in the presence of vibrations is used to investigate the influence of vibration and motion parameters such as longitudinal, transversal, angluar and higher harmonic vibrations onto the friction force. Chapter 4 introduces the basic setup of high-frequency sliding bearings containing a vibration module with actuator resonator and sliding elements. Basic design principles for the different components are developed in Chapter 5. The design of the resonator plays a key role in transmitting the vibrations from the actuator to the sliding elements. The design is based either on a two-mass model or as an waveguide depending on the dimension of the bearing. An demonstrator is developed in Chapter 6 using FEM to optimize the stiffness an vibration characteristics of the bearing. Chapter 7 presents the results of experimental investigations of the vibrational and frictional properties of the developed bearing elements. It is shown, that the sliding and static friction can be reduced significantly and that the frictional force can be controlled using the acutator voltage and frequency. Thus, it is possible to actively design the frictional behaviour of the bearing element, giving the possibility to linearize the friction and thereby changing the damping and linearity properties of the bearing. Using this effects, experiments are made that show that the friction control allows to minimize and even eleminate the appearing of stick-slip during movement.Item Open Access Mechatronic control system for a compliant and precise pneumatic rotary drive unit(2019) Stoll, Johannes T.; Schanz, Kevin; Pott, AndreasItem Open Access Erhöhung der Bandbreite von Vorschubantrieben mit Kugelrollspindeln unter Verwendung der Lagegeschwindigkeit(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Sun, Zheng; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Elektromechanische Vorschubantriebe mit Kugelrollspindeln und PPI-Kaskadenregelung haben sich in vielen Bereichen der Fertigungstechnik als geeignete Antriebslösung durchgesetzt. In Applikationen mit hohen Anforderungen an die Vorschubdynamik erweist sich jedoch die im Antriebsstang liegende Nachgiebigkeit als begrenzender Faktor für die Lageregelbandbreite. In Kapitel 2 werden die aus dem Stand der Forschung bekannten Regelansätze zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens vorgestellt und bewertet. Ungeachtet der erreichbaren hohen Bandbreite, konnten sich keine Ansätze wegen mangelnder Robustheit oder des hohen Hardwareaufwandes in der Industrie durchsetzen. So blieb in den letzten 50 Jahren die Frage offen: wie kann man ohne zusätzlichen Aufwand die Dynamik eines Vorschubantriebs erhöhen, wobei das Verhalten im Einstellaufwand und in der Stabilität bei Lastwechsel dem eines industriellen Kaskadenreglers ähnlich sein sollte. Mit der vorliegenden Arbeit wird der Versuch einer Antwort darauf gegeben. Dazu werden zwei Konzepte zur Dämpfung der mechanischen Eigenschwingungen vorgestellt und darauf aufbauend drei kaskadierte Regelansätze entwickelt. Der Ausgangspunkt des ersten Dämpfungskonzepts ist die Verwendung der Differenz der an- und abtriebsseitigen Geschwindigkeiten. Die Dämpfung der ersten mechanischen Eigenfrequenz erfolgt durch die Veränderung der Stellgröße des Drehzahlreglers. Als hochgradig ähnlich in den Eigenschaften zum derzeitigem Standardregler hat sich das Regelverfahren unter Verwendung der Geschwindigkeitsdifferenz (PPI-R-Verfahren) nach Kapitel 4 gezeigt. Die Aufwendungen zur Einstellung sind nur unwesentlich höher, die Stabilität bei Lastwechsel ist ausreichend gut und der Gewinn an Bandbreite liegt bei nahezu 100%. In Kapitel 5 wird das zweite Dämpfungskonzept beschrieben, welches mit einem schwach eingestellten Drehzahlregler verknüpft ist. Neben der Dämpfung der ersten mechanischen Eigenfrequenz, weist der schwach verstärkte Motor ein PT1-Verhalten auf, dessen Eckfrequenz unterhalb der mechanischen Resonanz liegt. Um diese Nebenwirkung zu kompensieren, wird die Standardregelstruktur durch einen PI-Regler mit der Rückführung der abtriebsseitigen Lagegeschwindigkeit (P-PI-P-Verfahren) erweitert. Die Aufwendungen zur Einrichtung sind nur geringfügig. Die Bandbreite kann über 100% erhöht werden. Neben dem PI-Geschwindigkeitsregler kann das PT1-Verhalten auch durch einen PD-Lageregler (PD-O-P-Verfahren) direkt kompensiert werden. Bei diesem Verfahren wird ein Störbeobachter für das Ausregeln der stationären Abweichung eingeführt. Der Gewinn an Lageregelbandbreite liegt bei über 200%. In Kapitel 6 werden die Funktionsfähigkeiten der entwickelten Verfahren messtechnisch validiert. Das Führungs- und Störverhalten und die Robustheit aller drei Verfahren werden an einem Versuchsstand mit der Kugelrollspindel im Zeit- und Frequenzbereich untersucht. Die Beurteilung der Zielerreichung erfolgt anhand eines Vergleichs der neuen Regelverfahren mit einem typischen industriellen Kaskadenregler für Vorschubantriebe. Die zu bewertenden Kenngrößen stellen dabei die Robustheit des Systems, der Bandbreitengewinn sowie die Komplexität der Reglerparametrierung dar. Durchgeführte Untersuchungen zeigen, dass die Bandbreite unter realen Bedingungen je nach Verfahren um Faktor 2 bis 3 ansteigt. Darüber hinaus zeigen Simulationen eine geringere Robustheit im Vergleich zu einem PPI-Standardverfahren, allerdings sollte sie für die meisten Anwendungsfällen ausreichen, da alle drei Verfahren bei einem Lastwechsel von ±40% messtechnisch ausreichend stabil sind. Für die Implementierung sind keine zusätzlichen Sensoren erforderlich, sodass der Hardwareaufwand den derzeitig eingesetzten Verfahren entspricht.Item Open Access Unstetige Bahnerzeugung an Vorschubantrieben mittels trägheitsbasiertem Impulsaktor(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Zahn, Peter; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Verschiedene maschinelle Fertigungsprozesse erfordern, dass die Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine einer programmierten Werkstückkontur mit minimaler geometrischer Abweichung und möglichst konstanter Bahngeschwindigkeit folgen. Dies ist jedoch im Bereich von Unstetigkeiten der Bahn (wie beispielsweise Ecken) aufgrund physikalischer Begrenzungen nicht möglich, da hier eine sprungförmige Änderung der Geschwindigkeiten der beteiligten Achsen notwendig wäre. Mit üblichen Vorschubantrieben lassen sich jedoch nur stetige Änderungen der BewegungsgrößenWeg und Geschwindigkeit erreichen. Die reale Bahn entspricht somit nicht exakt der geforderten Kontur oder aber die Bahngeschwindigkeit muss bis zum Stillstand reduziert werden. Eine möglichst gute Annäherung an entsprechende Konturen bei hinreichender Bahngeschwindigkeit führt weiter durch hohe Beschleunigungskräfte aus den Motoren zu starker Anregung der Maschinenstruktur, was ein unerwünschtes Verhalten darstellt. Heute bekannte Verfahren nutzen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens beispielsweise redundante Kinematiken, spezielle Regelungsverfahren oder optimieren die Maschinenkonstruktion hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung. Auch sind Methoden zur Erzeugung von anwendungsorientiert optimierten Bahnen bekannt, so dass sich ein für den jeweiligen Prozess geeigneter Kompromiss aus Konturtreue und konstanter Bahngeschwindigkeit wählen lässt. Diesen Ansätzen gemein ist jedoch, dass sie im speziellen Fall von Unstetigkeiten das dynamische Verhalten verbessern aber keine systematische Lösung darstellen. Nicht betrachtet wurde hier bisher der Ansatz, an Stelle einer Anpassung der Bahn an die dynamischen Verhältnisse, tatsächliche Geschwindigkeitsbeziehungsweise Beschleunigungssprünge aktuatorisch einzubringen. Hierzu wird in dieser Arbeit ein Antriebskonzept vorgeschlagen, welches Geschwindigkeitssprünge zwischen Werkzeug und Werkstück in guter Näherung ermöglicht sowie hohe Beschleunigungen ohne Rückwirkung auf die Maschinenstruktur aufbringen kann. Der Ansatz basiert auf der Nutzung eines trägheitsbasierten Zusatzaktors, welcher mittels Stoßes eine Impulsübertragung und dadurch eine sprunghafte Geschwindigkeitsänderung hervorzurufen vermag. Die Arbeit gliedert sich in eine Darstellung der zugrundeliegenden Problemstellung sowie einem Überblick über bereits bestehende Lösungsansätze. Das vorgeschlagene Konzept eines Impulsaktors sowie seiner Wirkungsweise wird erläutert. Zur Auslegung des Systems werden simulative Voruntersuchungen durchgeführt, gefolgt von einer experimentellen Verifikation anhand einer prototypischen Umsetzung. Basierend auf dem Experiment können unsichere Modellparameter identifiziert werden, so dass sich mit dem erstellten Mehrkörpermodell weitere Parameterstudien durchführen lassen. Es wird aufgezeigt, dass eine entsprechende Zusatzaktorik signifikantes Potential zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen aufweist beziehungsweise neue Anwendungen erschließt, welche von einer verbesserten Bahnführung an Unstetigkeiten bei gleichzeitig reduzierter Schwingungsanregung der mechanischen Maschinenstruktur profitieren. Da Ansätze mit vergleichbarem Umsetzungsaufwand bereits etabliert sind und sich der Aktor abgesehen von Umwandlungsverlusten energetisch neutral verhält, stellt das Konzept einen vielversprechenden neuen Freiheitsgrad bei der Auslegung von Vorschubantrieben dar.Item Open Access Entwicklung und Analyse nachgiebiger pneumatischer Drehantriebe(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Stoll, Johannes T.; Pott, Andreas (Priv.-Doz. Dr.-Ing.)Für den Antrieb kollaborativer Knickarmroboter stellen pneumatische Antriebe eine Alternative zu den bewährten elektrischen Antriebseinheiten dar. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst hergeleitet, welche charakteristischen Eigenschaften pneumatische Drehantriebe für den Einsatz in kollaborativen Knickarmrobotern haben sollten (servopneumatisch positionierbar, nachgiebig, endlos drehbar). Nach einem Überblick zum Stand der Technik werden drei mechanische Antriebskonzepte vorgestellt, in denen jeweils ein mechanisches Funktionsprinzip mit geeigneten Aktoren kombiniert wird. Im ersten Antriebskonzept werden pneumatische Faltenbälge in Kombination mit dem mechanischen Funktionsprinzip einer Schubkurbel bzw. Kurbelwelle eingesetzt. Das zweite Antriebskonzept nutzt eine Taumelscheibe, um die Zugkraft pneumatischer Muskeln zu wandeln und eine endlose Drehung der Welle zu bewirken. Neu entwickelte Aktoren aus Feuerwehrschlauch - die sogenannten Fire-Hose-Actuators - kommen im dritten Antriebskonzept zum Einsatz. Die Aktoren üben darin eine Druckkraft auf den exzentrischen Teil der Antriebswelle aus. Es wird erneut das Funktionsprinzip einer Schubkurbel genutzt. In der Modellbildung wird ein allgemeines, parametrierbares Modell für den Länge-Druck-Kraft-Zusammenhang der Aktoren präsentiert und für alle Drehantriebe ein Modell des statischen Drehmoments hergeleitet. Darüber hinaus wird eine Theorie entwickelt, die für endlos drehbare Antriebe bereits in der Entwurfsphase eine grobe Abschätzung des maximal kontinuierlich verfügbaren Drehmoments anhand weniger Eingangsparameter liefert. In der Evaluation wird die statische Drehmomentverteilung aller Drehantriebe gemessen. Alle Drehantriebe sind endlos drehbar und verfügen über eine einstellbare Steifigkeit. Das maximal kontinuierlich verfügbare Drehmoment der Antriebe kann mit 4,3 Nm, 17,6 Nm und 63,1 Nm angegeben werden. Eine servopneumatische Positionierung ist mit allen Drehantrieben möglich.Item Open Access Methode zur Bestimmung des Gefäßverengungsgrades aus der Pulswellencharakteristik am Beispiel implantierbarer Sensorik für den Stent(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Domnich, Alexej; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Die vorliegende Dissertationsschrift stellt eine neuartige Messmethode zur Bestimmung des Gefäßverengungsgrades nach der Implantation von Gefäßstützen (Stents) vor. Das Messverfahren beruht auf der Erfassung und Auswertung des Pulswellenlaufzeitsignals. Bei jedem Herzschlag breiten sich über die Gefäße Pulswellen unterschiedlicher Geschwindigkeiten aus. Bei einer lokalen Gefäßverengung oder einem Anstieg der Gefäßsteifigkeit verändert sich die Pulswellenlaufzeit. Mit Hilfe einer implantierbaren, elektrisch passiven Sensorik und einem patentierten Messverfahren zur Bestimmung einer lokalen Pulswelle wird es möglich, die Änderung der Pulswellenlaufzeit in kurzen Zeitabständen zu detektieren und daraus den Gefäßverengungsgrad zu bestimmen. Das Messverfahren beruht auf der zeitlich periodischen Änderung der Druckverhältnisse in einer flexiblen Leitung, z.B. Blutgefäß. Die Sensoren bestehen aus zwei elektrisch und mechanisch entkoppelten Resonanzschwingkreisen. Jeder Sensor besteht dabei aus einem kapazitiven, druckempfindlichen Sensor und einer flachen kernlosen Spule. Die in die Blutgefäße implantierten Sensoren werden mit einem externen Magnetfeld induktiv gekoppelt und bis zur Resonanzfrequenz elektrisch angeregt. Verändern die kapazitiven Drucksensoren unter dem Einfluss der im Blutgefäß zeitlich fluktuierenden Pulswelle ihre elektro-mechanischen Eigenschaften, so ändern sich auch zeitlich versetzt die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Sensoren. Im Erregersignal des extrakorporalen Magnetfeldes wird durch einen kurzfristigen Impedanzabfall die elektrische Veränderung der induktiv gekoppelten Resonanzschwingkreise der implantierten Sensoren messbar. Da der Abstand der beiden Sensoren zueinander im Blutgefäß durch die Anordnung auf dem Implantationsbesteck und durch den Implantationsvorgang bekannt ist, kann die Laufzeit der Pulswelle aus dem Verlauf des komplexen Widerstandes des Erregersignals der Ausleseeinheit bestimmt werden. Verändert die Pulswelle mit der Zeit ihre charakteristischen Eigenschaften, so ist diese Änderung u. a. auf die strukturelle Veränderung im Blutgefäß zurückzuführen. Die Pulswelle wird umso schneller, je steifer oder verengter das Gefäß wird. Durch die Detektion der Änderung der Pulswellengeschwindigkeit pro Zeiteinheit kann der Grad der lokalen Gefäßverengung berechnet werden. Hierzu wird der in dieser Arbeit entwickelte und implementierte modellgestützte Auswertealgorithmus herangezogen. Als Modellparameter werden die Elastizität der Gefäßwand, die Gefäßwanddicke, die Pulswellengeschwindigkeit und der Gefäßinnendurchmesser als zeitlich variable Größen berücksichtigt. Weitere Konstanten und Koeffizienten werden empirisch bestimmt oder aus der Literatur entnommen. Ein quantitativer Vergleich der durch das Modell generierten Berechnungen zur Bestimmung des Gefäßverengungsgrades und der in vitro, am Versuchsstand, durchgeführten Messungen, liefert die Güte des Auswertealgorithmus. Das Messverfahren kann auf andere Anwendungsfelder übertragen werden. Voraussetzung hierfür ist, dass die zu untersuchende physikalische Leitung ein endlich-periodisches zeitabhängiges Schwingungsverhalten aufweist und das pulsförmig beförderte Prozessmedium mit der Zeit zu Ablagerungen und somit zu Querschnittsveränderung im Inneren dieser Leitung führt. Auch strukturelle Veränderungen der Leitung, z.B. bedingt durch Materialermüdung oder Alterung, können mit dem vorgestellten Verfahren detektiert werden. Eine Anwendung im medizinischen Bereich wäre z.B. die Detektion von Aneurysmen im Blutgefäß.Item Open Access Dynamics of cable-driven parallel robots with elastic and flexible, time-varying length cables(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2019) Tempel, Philipp; Pott, Andreas (PD Dr.-Ing.)Cable-driven parallel robots are a special class of parallel manipulators with prismatic rigid-link actuators replaced by flexible and elastic fiber cables. However, this in nature simple replacement of motion and force transmitting components, results in drastic implications on the kinematics and dynamics of such robots. Not only are cables noticeably lighter than their rigid-link counterparts, but they are also more elastic and flexible which becomes very apparent when spanning a cable between two points: cable sag is induced by the cable’s own weight, a behavior that cannot be compensated for completely. Incommodiously, these two properties - elasticity and flexibility - of fiber cables makes operating cable-driven parallel robots more involved than anticipated from their rigidlink counterparts and is still an active research field. In this thesis, particular focus is placed on the dynamics of cable-driven parallel robots under explicit consideration of cables and their spatial and axial dynamics. For the purpose of designing and controlling cable robots, we derive a full multibody model of cable robots describing spatial cable motion by means of Cosserat rod theory. Borrowed from classical mechanics, Cosserat rods capture large elastic deformations such as strain and bending allowing for describing motion of cables in space. The equations of motion are discretized using Rayleigh-Ritz’s approach to turn the continuum “cable” into a finite-dimensional model. Reference for evaluation of the cable and robot model are classical beam theory much like well-established methods of cable robot kinetostatics and of cable force distribution calculations. Numerical results of the robot dynamics are obtained with an energy and momentum conserving mechanical integrator for constrained multibody systems. Axial stress-strain dynamics of fiber cables show hysteretic and nonlinear behavior which cannot be represented by a purely linear spring. We propose theoretically and investigate experimentally an analogous model based on multiple springs and dampers, that captures hysteretic behavior and stress relaxation well. Its elastic and viscous material parameters are estimated using transfer function identification. Both contributions provide valid models for further considerations in modeling, simulation, and control of cable-driven parallel robots.